Лекция 29 (лекции по УГФС), страница 5

.

Девиация частоты выходного колебания должна быть равна требуемой, то есть должно быть

.

Из сравнения последнего соотношения с (29.27) следует, что должно быть n₁n₂ = n. Необходимая частота гетеродина .

Структурная схема реализации косвенного метода ЧМ в этом случае представлена на рис.29.13.

В
качестве интегрирующей цепи обычно используется цепочка ФНЧ RC – типа, представленная на рис.29.14.

Н апряжение на выходе такой цепочки

.

При , где – низшая модулирующая частота, амплитуда выходного напряжения

оказывается обратно пропорциональной частоте и прямо пропорциональной амплитуде модулирующего сигнала.¹⁰ Если таким сигналом осуществить ФМ, то результатом будет колебание со свойствами ЧМ.

При указанных параметрах элементов цепи (рис.29.14) изменение частоты сигнала в два раза приводит к изменению амплитуды выходного напряжения также в два раза. Соответственно, крутизна АЧХ рассматриваемого фильтра составляет – 6 дБ на октаву.

Следует отметить, что в силу определённой громоздкости косвенный метод ЧМ в современных разработках радиовещательных и телевизионных передатчиков почти не используется. В то же время он практикуется в радиопередатчиках низовой связи с использованием фазовых модуляторов по схемам (рис.29.3 и рис.29.5 – рис.29.7).

Частотный модулятор

Частотным модулятором называется устройство, которое изменяет частоту резонансного контура в соответствии с законом модулирующего сигнала. Основной частью частотного модулятора является реактивный элемент (ёмкость и/или индуктивность), величина которого зависит от напряжения на входе модулятора. Для радиотехнических устройств наибольший интерес представляют реактивные элементы, величину которых можно изменять электрическим способом, что позволяет осуществить практически безинерционное управление частотой при любом законе изменения управляющего сигнала. Наиболее широко используются в качестве управляемых реактивностей следующие элементы и устройства: 1) ёмкость p-n – перехода полупроводникового диода – варикапа; 2) реактивный транзистор; 3) ферритовый элемент. Более часто используются варикапы, реже – реактивные транзисторы и ещё реже – ферритовые элементы. В настоящей лекции мы рассмотрим применение варикапов и реактивных транзисторов.

Вначале отметим некоторые общие положения для частотных модуляторов, независимо от типа управляемой реактивности.

Управляемая ёмкость изменяется в пределах

,

а управляемая индуктивность изменяется в пределах

,

где С_Р0, L_Р0 – начальные значения управляемой ёмкости и индуктивности соответственно;
– изменения значений соответствующих реактивных элементов.

Как выше было показано, девиация частоты связана с изменениями ёмкости и индуктивности контура следующими соотношениями:

(29.29а)

. (29.29б)

Обычно и при подключении управляемых реактивностей, как показано на схемах рис.29.15, можно считать:

при использовании управляемой ёмкости (рис.29.15,а)

,

где – коэффициент включения управляемой ёмкости;¹¹

при использовании управляемой индуктивности (рис.29.15,б)

,

где – коэффициент включения управляемой индуктивности.

С учётом последних соотношений, используя (29.29), можно определить девиацию частоты в каждой схеме.

Очевидно, приведенные выше соотношения можно использовать и при определении расстройки контура в схеме фазового модулятора на основе усилителя с расстраиваемым контуром (см., например, схему рис.29.3).

В реальных устройствах частотный модулятор кроме реактивности вносит в контур ещё и активные потери. Если величина последних велика, то это может привести к срыву колебаний автогенератора (перестанет выполняться условие самовозбуждения АГ). Для уменьшения величины вносимых потерь необходимо слабее связывать частотный модулятор с контуром, что, естественно, приводит к уменьшению девиации частоты. При больших значениях девиации частоты величина активных потерь, вносимых в контур АГ, может существенно изменяться с изменением модулирующего сигнала, что приведёт к изменению эквивалентного сопротивления контура R_oe автогенератора и, следовательно, к паразитной АМ. Изменение R_oe контура происходит не только за счёт изменения вносимых потерь в контур со стороны управляемой реактивности, но и за счёт изменения реактивных параметров контура, что также сказывается на паразитной АМ как в автогенераторе при осуществлении ЧМ, так и в усилителе при осуществлении ФМ.

Если АГ является диапазонным, то для уменьшения изменения величины девиации частоты по диапазону необходимо, чтобы при ёмкостной перестройке контура частотный модулятор был с управляемой индуктивностью, а при индуктивной перестройке контура частотный модулятор должен быть с управляемой ёмкостью. Для поддержания постоянства величины девиации частоты по диапазону вводят регулируемую связь управляемой реактивности с контуром или применяют сложные виды связи.

Частотный модулятор с варикапом

При изменении обратного напряжения, приложенного к p – n - переходу полупроводникового прибора, будь то диод или транзистор, изменяется величина барьерной ёмкости этого перехода. Следовательно, в этом случае полупроводниковый прибор может рассматриваться как элемент с управляемой ёмкостью, которую можно использовать в частотных и фазовых модуляторах.

Разработаны специальные типы полупроводниковых диодов, предназначенных для использования в качестве управляемой напряжением ёмкости. Такие диоды носят название варикапов (см. лекцию 18). Величина ёмкости варикапа может изменяться в 3…5 раз, а у отдельных типов до 10 раз, при изменении обратного напряжения от – (1…3) В
до – (20…30) В.

Эквивалентная схема барьерной ёмкости варикапа представлена на рис.29.16,а,
где С_В – ёмкость варикапа; r – сопротивление потерь в материале полупроводника; R – сопротивление утечки. На рис.29.16,б показана преобразованная эквивалентная схема барьерной ёмкости варикапа при выполнении условия

.

При выполнении указанного условия ёмкость варикапа практически не изменяется при преобразовании схемы. Сопротивление потерь r пересчитывается параллельно сопротивлению утечки R. Результирующее сопротивление

.

Добротность варикапа

.

Добротность варикапа возрастает с увеличением обратного напряжения (в основном за счёт уменьшения ёмкости варикапа С_В, так как сопротивления r и R практически не зависят от обратного напряжения) и обычно уменьшается с увеличением частоты и повышением температуры.

При работе варикапа в схеме модулятора на нём рассеивается мощность

,

где U_МОД, U_ВЧ – соответственно амплитуда модулирующего и высокочастотного напряжения на варикапе.

Рассеиваемая на варикапе мощность не должна превышать допустимую, которая обычно не выше (50…100) мВт.

На рис.29.17 представлена возможная принципиальная схема LC – автогенератора с варикапом для осуществления ЧМ. На рис.29.18 показана зависимость ёмкости варикапа и действующие на нём напряжения в схеме автогенератора.

К
олебательная система АГ образована ёмкостями С1, С2, индуктивностью L и варикапом с ёмкостью С_В. С резистора R2 снимается запирающее напряжение Е_В0, определяющее положение рабочей точки варикапа при отсутствии модулирующего сигнала. Модулирующий сигнал U_МОД подаётся с модулятора – УНЧ, обеспечивающего необходимый уровень сигнала. Нагрузкой УНЧ является параллельное соединение резисторов R1, R2 и ёмкости варикапа С_В. Остальная часть схемы в силу большого сопротивления ёмкости разделительного конденсатора С_Р у базы транзистора не оказывает на модулятор влияния. Если модулирующий сигнал широкополосный, то могут потребоваться какие-то меры для коррекции АЧХ УНЧ. Чтобы устранить влияние УНЧ и вообще части схемы левее варикапа на АГ, включается блокировочный дроссель L_БЛ, препятствующий прохождению высокочастотного сигнала в сторону УНЧ. На варикапе существует высокочастотное напряжение амплитудой U_ВЧ. Под воздействием модулирующего сигнала изменяется ёмкость варикапа на величину +ΔС_В и –ΔС_В (рис.29.18). В общем случае характер изменения ёмкости варикапа нелинейный.¹² Из рис.29.18 видно, что ёмкость варикапа претерпевает определённые изменения также под воздействием напряжения высокочастотного сигнала U_ВЧ. В силу этого по причине нелинейного характера ёмкости варикапа даже при отсутствии модулирующего сигнала средняя частота автогенератора будет несколько отличаться от её значения, которое имеет место, если варикап заменить конденсатором с ёмкостью С_В0. Следовательно, подключение варикапа потребует некоторой подстройки АГ. Для уменьшения влияния нелинейности ёмкости варикапа на среднюю частоту АГ часто применяют встречное включение двух варикапов. Высокочастотные напряжения на варикапах оказываются в противофазе, соответственно ёмкости варикапов под их воздействием изменяются в разные стороны, что обусловливает компенсацию этих изменений в результирующей ёмкости. Модулирующие напряжения, соответственно и ёмкости варикапов изменяются в одну сторону. Очевидно, чем меньше амплитуда высокочастотного сигнала на варикапе, тем меньше нелинейная поправка на частоту. Но чем меньше амплитуда высокочастотного сигнала на варикапе, тем слабее связь его с колебательной системой АГ, что, соответственно, ослабляет влияние варикапа на частоту АГ и потребует изменения ёмкости варикапа в больших пределах.¹³ Результирующее напряжение на варикапе не должно превышать допустимое обратное напряжение (рис.29.18) и не должно заходить в область положительных значений. При положительном напряжении на варикапе он открывается, что приводит к резкому увеличению сопротивления потерь в варикапе (добавляется к сопротивлению r на схеме рис.29.16,а). Также возрастает ёмкость варикапа: вместо барьерной ёмкости перехода проявляется его диффузионная ёмкость. Возрастание потерь в варикапе при его открывании приводит к срыву автоколебаний. Поэтому в практических схемах результирующее напряжение на варикапе не доходит до нулевого значения на (1…2) В.